X70 大變形管環(huán)焊接頭及斷裂機制研究

牛靖，張恩濤，呂玉海，王浩，殷咸青，陳宏遠

（1.西安交通大學(xué) 金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049；2.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 榆林 718500；3.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077）

隨著能源需求的增長，油氣輸送管線鋼逐步向著高強、高韌、大口徑以及高壓輸送的趨勢發(fā)展[1—4]。近年來，在管線發(fā)生較大塑性變形的情況下，國內(nèi)外出現(xiàn)了很多環(huán)焊接頭失效事故，其中很大一部分是由于焊接熱影響區(qū)強度較低而導(dǎo)致的局部集中變形，最終引起管線的斷裂失效。大量研究表明，管線鋼環(huán)焊接頭熱影響區(qū)軟化是這種斷裂失效的直接原因[5—9]。關(guān)于高強低合金鋼焊接接頭的軟化問題已有大量的研究報道，碳當(dāng)量越高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（Ms）及貝氏體轉(zhuǎn)變溫度（Bs）越高，焊后HAZ 出現(xiàn)軟化的可能性越高[10]。由于管線鋼本身的強化機制及其對焊接熱循環(huán)的敏感性，焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)明顯的晶粒粗化，從而造成了HAZ 的局部軟化失強[11]。

應(yīng)變設(shè)計（Strain-based design）[12—14]是近年來石油天然氣輸送管線設(shè)計建設(shè)領(lǐng)域最有意義的發(fā)展之一。環(huán)焊接頭軟化問題[15]是嚴重制約大變形管線安全服役能力的關(guān)鍵問題，對其展開深入研究，可以為改善環(huán)焊接頭的強度水平和變形特性提供重要的理論指導(dǎo)。文中將在研究X70 大變形管焊接接頭軟化問題的基礎(chǔ)上，采用數(shù)字圖像相關(guān)法（Digital Image Correlation，簡稱DIC 法）進行焊接接頭變形特征研究，并探討軟化區(qū)激光強化方法，為基于應(yīng)變設(shè)計X70 管線的建設(shè)及服役安全提供重要的理論和技術(shù)支撐。

1 試驗

試驗用X70 大變形管材，壁厚為14.7 mm，化學(xué)成分見表1。開V 型坡口（見圖1），采用Φ3.2 mm的CHE507 電焊條進行焊接，焊接工藝參數(shù)見表2。

表1 試驗用X70 大變形管化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.1 Chemical composition analysis results of X70 large deformed pipe for test

圖1 坡口形式及尺寸Fig.1 Groove type and size

表2 焊接層次及其焊接工藝參數(shù)Tab.2 Welding level and welding process parameters

對X70 管接頭制取硬度、微觀組織及拉伸試樣，展開試驗研究。在HXD-1000TMC 型顯微維氏硬度計上，測試距離外表面和內(nèi)表面2 mm 處焊接接頭不同區(qū)域的硬度。試驗載荷為200 g，保載的時間為15 s。采用Nikon MA200 倒置金相顯微鏡分析X70 焊接接頭微觀組織。數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）是一種基于物體表面的散斑圖像灰度分析，從而獲得物體運動和變形信息的新型光測方法。數(shù)字散斑相關(guān)方法是一種非接觸全場測量方法，可從整體上對物體變形規(guī)律進行分析。為了研究X70 焊接接頭斷裂機制，在對拉伸試樣進行拉伸試驗過程中，通過XJDIC 系統(tǒng)采集不同時刻的散斑圖像，獲得了焊接接頭關(guān)鍵區(qū)域的變形曲線。

為了探索X70 大變形管線鋼焊接接頭的強化方法，利用激光對焊接接頭熱影響區(qū)進行了重熔試驗。激光重熔參數(shù)為：0.4 mm 光斑直徑、4 kW 激光功率、+2 mm 離焦量、1 m/min 重熔速度。對激光重熔后的焊接接頭取拉伸試樣進行了拉伸試驗。

2 結(jié)果及其分析

2.1 焊接接頭硬度測試結(jié)果及分析

X70 大變形鋼焊接接頭的熱影響區(qū)存在比較明顯的軟化區(qū)，而且軟化區(qū)均位于靠近焊縫的熱影響區(qū)，見圖2，此區(qū)域會產(chǎn)生應(yīng)變集中，這樣會直接導(dǎo)致焊接接頭拉伸時在熱影響區(qū)的斷裂，所以，這可能就是焊接接頭拉伸過程中容易斷裂于焊接熱影響區(qū)的主要原因。研究表明，管線鋼焊接接頭的強度與焊接接頭熱影響區(qū)及其軟化區(qū)存在一定的聯(lián)系。

從表3 統(tǒng)計的結(jié)果看出，試樣上表面硬度為左側(cè)最低硬度為HV0.2181，右側(cè)為HV0.2188，試樣下表面硬度為左側(cè)最低硬度為HV0.2208，右側(cè)為HV0.2197。以X70 大變形鋼平均硬度HV0.2220 為基準，按照軟化區(qū)平均最低硬度計算了焊接接頭軟化區(qū)硬度損失[5]。由表3 可以看出，焊接接頭上表面HAZ 區(qū)域?qū)挾刃∮谙卤砻妫附咏宇^上表面最大硬度損失值較下表面大。

圖2 焊接接頭硬度分布Fig.2 Vickers hardness distribution of welded joints

表3 焊接接頭熱影響區(qū)及軟化區(qū)寬度及顯微硬度結(jié)果Tab.3 Test results of heat affected zone and softened zone width and microhardness of welded joint

2.2 焊接接頭微觀組織分析

使用倒置金相顯微鏡觀察了上下表面以及母材等區(qū)域的典型微觀組織。如圖3，試樣的焊接接頭上表面和下表面熱影響區(qū)都可觀察看到較為明顯的粗晶區(qū)和混晶區(qū)等區(qū)域。在金相顯微鏡上，著重觀察了上下表面的粗晶區(qū)和混晶區(qū)，以及X70 大變形管母材組織，如圖4 所示。

由圖4a 可以看出，上表面熱影響區(qū)晶粒較為粗大，其中，粗晶區(qū)的組織主要由鐵素體和貝氏體組成。大量粗大的粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體的存在是焊接接頭熱影響區(qū)近縫區(qū)出現(xiàn)軟化的主要內(nèi)在原因[5]。由圖4a 和4b 可看出，焊接接頭的上下表面熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織明顯不同，下表面熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織主要是由粗大的貝氏體組成，是由于焊接過程中熱量的不均勻性，上表面熱量及溫度高于下表面，同時上表面的冷卻速度低于下表面，所以導(dǎo)致上下表面熱影響區(qū)粗晶區(qū)的微觀組織明顯不同。由圖4a 和4b 可看出，上下表面均由粗大粒狀貝氏體的微觀組織組成。上下表面顯微組織的不同，導(dǎo)致了表面硬度存在一定的差異。由圖4d 可知，下表面熱影響區(qū)混晶區(qū)由鐵素體和細小的粒狀貝氏體構(gòu)成。試驗用X70 母材組織是由鐵素體和粒狀貝氏體組成，見圖4d，其中，粒狀貝氏體起到強化組織的作用，鐵素體的特點是具有較好的塑韌性。研究表明，焊接接頭的熱影響區(qū)粗晶區(qū)會導(dǎo)致接頭的軟化。

2.3 焊接接頭拉伸試驗過程DIC 結(jié)果分析

在對X70 焊接接頭試樣的拉伸試驗過程中，通過XJDIC 系統(tǒng)采集不同時刻的散斑圖像，并獲得了焊接接頭關(guān)鍵區(qū)域的變形曲線，見圖5。從圖5 可以看出，當(dāng)拉伸應(yīng)力達到300 MPa 時，焊縫及軟化區(qū)開始有塑性變形產(chǎn)生，而當(dāng)拉伸應(yīng)力達到約55 MPa 時，母材才開始發(fā)生塑性變形；軟化區(qū)在試樣拉伸的最后階段，其應(yīng)變量快速增加，直至試樣斷裂，其應(yīng)變量遠超過母材；焊縫也發(fā)生了比較大的應(yīng)變，但總應(yīng)變量小于軟化區(qū)；試樣完全斷裂前，軟化區(qū)應(yīng)變量達37%左右，焊縫最大應(yīng)變量達25%左右，而母材應(yīng)變僅為5%左右。可以判斷，因為軟化區(qū)的存在，導(dǎo)致焊接接頭在拉伸過程中其應(yīng)變極不均勻，最終導(dǎo)致試樣在發(fā)生嚴重塑性變形的軟化區(qū)斷裂。焊態(tài)焊接接頭拉伸試驗結(jié)果見表4。

圖3 焊接接頭熱影響區(qū)低倍形貌Fig.3 Morphology of heat affected zone of welded joints at low magnification

圖4 焊接接頭各區(qū)域典型組織Fig.4 Microstructures of each zone of welded joint

圖5 焊接接頭關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)變-應(yīng)力曲線Fig.5 Strain-stress curve of key areas of welded joint

2.4 焊接接頭激光重熔試驗結(jié)果及分析

利用激光對X70 大變形鋼焊接接頭熱影響區(qū)進行了重熔試驗。在激光重熔前后，分別制取了3 個原壁厚拉伸試樣，試樣平行段寬度均為25 mm。經(jīng)過拉伸試驗及數(shù)據(jù)處理，兩種接頭的拉伸試驗結(jié)果見表4。焊態(tài)X70 焊接接頭的拉伸試樣斷裂位置均為近縫區(qū)，而經(jīng)過熱影響區(qū)激光重熔的焊接接頭無一例外均斷裂于母材，滿足標準Q/SYGJX 137.1—2012 中“焊接接頭拉伸斷裂位置不能斷于焊縫及近縫區(qū)”的要求，且其抗拉強度較焊態(tài)焊接接頭的平均抗拉強度提高10%以上。

前述的焊態(tài)焊接接頭顯微硬度測試結(jié)果和拉伸過程DIC 分析結(jié)果表明，拉伸試驗過程中，焊態(tài)焊接接頭軟化區(qū)發(fā)生的應(yīng)變集中現(xiàn)象是焊接接頭斷裂于近縫區(qū)的主要原因。焊接熱影響區(qū)激光重熔后，焊接接頭的斷裂位置和抗拉強度變化進一步證明這一結(jié)論的正確性。激光束作為一種高能熱源，用作X70鋼焊接熱影響區(qū)重熔，不但具有良好的強化作用，也不會產(chǎn)生二次軟化現(xiàn)象。通過對激光重熔焊接接頭的拉伸過程進行觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載荷達到一定值時試樣開始發(fā)生塑性變形，但焊接熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)明顯的塑性變形，說明激光重熔區(qū)域沒有參與整個試樣的協(xié)同變形；隨著載荷的逐步加大，試樣的塑性變形量增加，這種現(xiàn)象越發(fā)明顯，使得X70 大變形鋼的良好均勻變形能力得到很大程度的發(fā)揮，最終在母材上發(fā)生斷裂。單從X70 大變形鋼焊接接頭拉伸試驗結(jié)果來看，熱影響區(qū)激光重熔對改變焊接接頭的斷裂位置和提高焊接接頭的抗拉強度具有明顯效果，是改善X70大變形鋼及高鋼級管線鋼焊接接頭拉伸性能的有益探索，但微區(qū)強硬化對焊接接頭韌性及斷裂行為帶來的影響還有待進一步研究。

表4 X70 鋼焊接接頭拉伸試驗結(jié)果對比Tab.4 Comparison of tensile test results of X70 steel welded joints

3 結(jié)論

1）X70 焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)存在明顯的軟化，最大硬度損失達HV0.239；X70 焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)中，大量粗大的粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體的存在是導(dǎo)致焊接接頭熱影響區(qū)軟化的主要原因。

2）焊態(tài)X70 鋼焊接接頭在拉伸過程中，軟化區(qū)發(fā)生了明顯的應(yīng)變集中，加載方向的最大應(yīng)變可達37%，遠高于母材5%的應(yīng)變量，是X70 焊接接頭斷裂于近縫區(qū)的主要原因。

3）焊接熱影響區(qū)激光強化后，不但避免了焊接接頭拉伸試樣在近縫區(qū)的斷裂，而且可使焊接接頭抗拉強度提高率達10%以上。